Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы сварки, высокотемпературной резки, наплавки, термообработки широко используются при создании ответственных конструкций. К ним можно отнести корпуса и элементы оборудования атомных станций, трубопроводы во всех отраслях промышленности, конструктивные элементы транспорта и многое другое. Без применения процессов сварки изготовление большинства перечисленных конструкций было бы практически невозможно. Вместе с этим использование процессов сварки и наплавки приводит к возникновению ряда проблем, связанных с неоднородностью сварных соединений. Возникновение неоднородности обусловлено сложными физикохимически-ми и термодеформационными процессами протекающими при сварке и наплавке. Влияние этих процессов на качество сварных конструкций многообразно. Оно выражается в изменении механических свойств и химического состава металла в зоне технологического влияния, в возникновении упругих и пластических деформаций и высоких временных п остаточных напряжений, в появлении специфических для сварных соединений форм концентраторов напряжений и деформаций. При определенных условиях сочетание отрицательных факторов может привести к разрушению конструкции уже на стадии изготовления или к появлению крупного дефекта, исключающего последующую эксплуатацию. Для обоснованного принятия решения о несущей способности конструкции при наличии неоднородности или дефектов необходимо применять современные расчетные и экспериментальные методы, прежде всего для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС). Возможности экспериментального определения временных и остаточных напряжений и деформаций при наличии в объекте сложного трехмерного НДС ограничены. Во многих случаях они связаны с повреждением конструкции, что недопустимо для сложных, дорогостоящих или действующих изделий. Применение неразрушающих методов измерений позволяет определять остаточные деформации и напряжения на поверхности деталей на удалении от зон высокого нагрева, хотя во многих случаях наиболее опасные зоны сварных соединений находятся в глубине металла. Экспериментальные методы дают достоверную, но неполную информацию (в
малом числе точек), кроме этого они часто не позволяют выявить влияние отдельных факторов процесса сварки на кинетику НДС. Поэтому наиболее перспективными для прогнозирования несущей способности сварных конструкций с учетом всех их особенностей можно считать современные методы компьютерного моделирования, а экспериментальные использовать для их верификации и определения исходных данных.
Разработке расчетных методов изучения сварочных процессов, оценки прочности и НДС сварных конструкций посвящены работы многих российских и зарубежных ученых. Следует отметить труды наиболее известных исследователей Е.О.Патона, Г.А.Николаева, Н.О.Окерблома, Н.Н.Рыкалина, С.А.Куркина, О.А.Бакши, Н.Н.Прохорова, В.А.Внно-курова, А.Г.Григорьянца, Г.П.Карзова, Э.Л.Макарова, В.И.Махненко, В.Ф.Демченко, Р.З.Шрона, Л.А.Копельмана, А.А.Углова, В.И.Труфяко-ва, В.М.Сагалевича, В.Ф.Лукьянова, С.Н.Киселева, Н.Никол. Прохорова, В.А.Судника, А.С.Зубченко, В.А.Кархина, Б.З.Марголина, А.С.Кур-кина, В.В.Аладинского, Yamada Y., Yoshimura N. и др. Одним из важных результатов их работы и переходящих из поколения в поколение знаний и опыта стало создание в последние десятилетия ряда программных комплексов на основе современных численных методов. Их применение позволило весьма подробно изучать термомеханическое поведение сварных конструкций, вводя все более и более совершенные физические и математические модели. Однако некоторые существенные проблемы моделирования к настоящему времени не решены.
Математическое моделирование процессов, происходящих при сварке, наплавке, термообработке должно проводиться на базе решения трех основных задач:
нелинейной нестационарной задачи теплопроводности;
задачи структурообразования;
термомеханической задачи в упругопластнческой постановке. Решение перечисленных задач осложняется необходимостью учета
зависимости теплофизических и механических свойств материала or температуры и структуры, которые меняются в очень широких пределах. На точность результатов решения температурно-структурной и механической задач оказывает существенное влияние учет скрытой теплоты структурных и фазовых превращений, скорости охлаждения различных
точек модели и максимальной температуры их нагрева, различный :труктурный состав в каждой точке модели.
Можно отметить недостаточное развитие методов компьютерного моделирования процессов структурных и фазовых превращений применительно к сварным конструкциям, хотя они имеют существенное значение для проведения корректной оценки работоспособности сварных кон-лрукций.
Ряд проблем имеется также в направлении оценки технологической прочности сварных конструкций в высокотемпературной области. Они связаны с отсутствием методики переноса критериев технологической прочности, получаемых на пробах, на реальные изделия. Развитие методов компьютерного моделирования в этой области является перспективным.
Применяя численные методы, исследователи обычно пытаются свести схему решения задачи к двумерной: осесимметричной, плоского напряжения, плоской деформации, плоского слоя. Это связано с большим ростом (в сотни и тысячи раз) затрат вычислительных ресурсов при использовании объемной схемы решения, которая наиболее полно соответствует реальному процессу, что делает возможным решение сварочных задач в трехмерной постановке лишь с применением суперкомпьютеров. При переходе к двумерным схемам вводят упрощающие допущения, например, об одновременной укладке шва и быстродвижущихся источниках теплоты или о постоянстве температуры или ее градиента по толщине изделия и т.п. Несмотря на то, что они существенно ограничивают круг конструкций и режимов сварки, для которых может быть проведено расчетное исследование, на основе двумерных моделей получены решения для ряда важных практических задач. Однако в каждом конкретном случае такие допущения, как «быстродпижущийся источник теплоты», «тонкая» или «толстая» пластина, «короткий» или «длинный» шов и др. требуют количественной оценки. Все указанные ограничения снимаются при переходе к трехмерным моделям. Необходимо подчеркнуть, что большинство задач коробления конструкций при сварке, моделирования деформационных процессов вблизи сварочной ванны при сложной форме проплавлення, а также при исследовании изделий сложной трехмерной геометрии либо простой геометрии, но при местном ме-
ханическом и термическом воздействии, принципиально не могут быт решены в двумерной постановке. Поэтому разработка методик трехмер ного моделирования для исследования рассматриваемых проблем пред ставляется перспективной.
Таким образом, развитие методов компьютерного моделировани: при проектирования технологических процессов сварки в двухмерной і трехмерной постановке с уточнением физической модели материала представляется актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка методов ком пьютерного анализа сварочных технологий, обеспечивающих обосно ванный выбор конструктивно-технологических решений, направленны: па повышение работоспособности сварных конструкций.
Методы исследования: Моделирование термодеформационных про цессов в конструкциях проведено численными методами элементарны: тепловых балансов, конечных элементов и суперэлементов с учетом фи знческой нелинейности с помощью специально разработанных про граммных комплексов. При экспериментальных исследованиях исполь зованы методы тензометрирования, магнитоупругий, лазерной интерфе рометрии. Для получения дилатометрических характеристик и построе ния диаграмм анизотермнческого распада аустенита использовался ком пыогерный анализатор материалов КАМАТ-ГАНГ.
Научная новизна работы:
1 .Сформулирована концепция, заключающаяся в том, что развито расчетных методов анализа и проектирования сварочной технологии не обходимо проводить в следующих направлениях:
а) совершенствования методов моделирования кинетики структур
пых превращений при сварке для оценки структурного состояния свар
пых конструкций;
б) совершенствования физической модели материала в расчетах теп
ловых и деформационных процессов, учитывающая возможное наличиї
различных структурных составляющих или их смесей в каждой точкі
модели для уточнения результатов расчета;
в) разработки методов трехмерного моделирования термодеформа
ционных процессов при сварке, снимающих ограничения, присущиі
двумерным моделям, на типы конструкций и режимы технологически)
процессов.
Разработана специализированная методика, позволяющая модели-эвать кинетику структурных превращений в изделиях при сварочном апологическом воздействии с использованием термокинетических диа-эамм металлов, а также решать термодеформационные упругопласти-гскне задачи в трехмерной постановке на стандартных персональных эмпыотерах с использованием суперэлементного подхода и физической одели материала, учитывающей возможное наличие различных струк-фных составляющих и их смесей в каждой точке модели.
-
Установлено, что для оценки стойкости сварных соединений проїв горячих трещин(ГТ), в зависимости от зоны их образования, целесо-бразно использовать следующие деформационные критерии: для свар-ого шва наиболее информативными являются компоненты собственных ^формаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкости, риентированные вдоль и поперек оси шва, в околошовной зоне - ин-;нсивность пластических деформаций, накопленных в температурном нтервале хрупкости (ТИХ). На базе этих критериев разработана рас-гтно-экспериментальная методика, позволяющая получить количест-:нные данные для перехода от оценки стойкости материалов против ГТ а пробах к оценке технологической прочности реальных сварных кон-грукций.
-
На основании решения задачи о проплавлений тонких листов в эехмерной постановке для источника теплоты, движущегося с конечной соростыо, установлено, что причиной изменения величины и знака ременного и остаточного прогибов пластин при постоянном режиме зарки и способе закрепления являются малые, в пределах толщины лис-1, начальные отклонения от плоской формы. При наличии начального рогиба «вверх» (с приближением к сварочному источнику) перемеще-ия кромки пластины из плоскости на стадии сварки имеют синусон-альный, со сменой знака характер, а на стадии остывания непрерыпно эзрастают. При наличии начального прогиба «вниз» эти перемещения а стадии сварки монотонно возрастают, а на стадии остывания - убы-иот. Остаточные значения прогиба существенно ниже, чем в нервом іучае. При наличии начального «скручивания» листового элемента в роцессе сварки и остывания форма пластины изменяется в сторону упе-ячения начального отклонения.
-
Применение гипотезы об одновременной укладке шва и решенш задачи о расчете напряжений при сварке кольцевых швов труб в осесим метричной постановке дает погрешность по значениям максимальны: напряжений в сварном шве не более 5% по сравнению с решением і трехмерной постановке во всем диапазоне рассмотренных скоростеі сварки (0.2 - 1.2 см\с). В зоне, прилегающей к шву, погрешность расчет! окружных (продольных) напряжений может достигать 50%, однако он: идет в запас прочности. Исследование процесса пространственного де формирования труб при сварке можно проводить только в трехмерноі постановке.
-
Расчетным путем показано, что при электронно-лучевой сварю труб из никелевого сплава наличие сложной формы проплавлення в со четании с низкой теплопроводностью и-высокой жаропрочностью обу словливает высокий уровень накопления растягивающих деформаций і ТИХ в направлении толщины стенки трубы в околошовной зоне, что яв ляется причиной образования ГГ. С увеличением/толщины труб (в диа назоне 6-27 мм) накопленная в ТИХ деформация имеет максимум прі толщине 18 мм. При увеличении погонной энергии сварки максимум де формации, накопленной в ТИХ, смещается из «подгрибкойой» зоны і середину шва. С увеличением скорости сварки величина этого критерій возрастает, что означает увеличение вероятности образования ГГ.
Практическая ценность и результаты работы:
1. Совместно с проф.,д.т.н Куркиным А.С. (кафедра сварки МГТЬ им. Н.Э.Баумана) разработан программный комплекс "Сварка", обеспе чивающнй моделирование напряженно-деформированного состояния і оценку статической прочности в процессе изготовления и эксплуагацш сварных конструкций на основе метода конечных элементов. Комплек< передан для использования в ряд организаций Москвы, Свердловска Краматорска, Ростова-на-Дону и Волгодонска.
2.Для моделирования кинетики НДС при сварке и сопутствующш технологических процессах в трехмерной постановке совместно с Кисе левым Александром Сергеевичем (РНЦ «Курчатовский институт») раз работан программный комплекс "WELD3D"
3. Проведен численный анализ ряда изделий при различных соче таннях конструктивно-технологических параметров процессов изготов
іения и эксплуатации. Обоснованы рекомендации по выбору рациональных режимов технологических процессов.
4. На основе проведенных исследований внесены изменения в нормативную документацию на изготовление, поставку и ремонт наплавкой ЦКК вагонов. Разработан проект «Технических условий на поставку цельнокатаных колес для скоростного движения». Выпущено «Извещение об изменении ТУ 0941-044-01124328-96; Бандажи черновые из непре-рывнолитрй заготовки углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи». Изменение утверждено ГОССТАНДАРТОМ РФ и внесено РЕЕСТР за номером 200\013675\01. Дан ряд конкретных рекомендаций по корректировке технологии изготовления цельнокатаных колес. Соответствующие документы приложены к диссертации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Методика анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при сварке, наплавке и термообработке (ТО) на основе разработанных алгоритмов расчета температурно-структурпых полей с учетом термокинетических диаграмм и расчета НДС сварных конструкций с использованием уточненной физической модели материала, учитывающей возможное наличие смеси структур в каждой точке модели;
Методика расчета НДС сварных соединений в трехмерной постановке на основе метода суперэлементов;
Расчетно-экспериментальная методика оценки склонности к образованию горячих трещин материалов и изделий с учетом технологических и конструктивных факторов на основе расчетного определения и сопоставления деформаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкости, в пробах и реальных изделиях;
Результаты анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при термообработке,- наплавке и эксплуатационных воздействиях на цельнокатаные колеса железнодорожного транспорта;
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и получили положительную оценку в 1996-2000 г.г. на семинаре кафедры сварки МГТУ им. Н.Э.Баумана, на международных конференциях 'Защита - 98" в ГАНГ им. Губкина; "ТЕМРТ-97", София, 1997г.;на 2 и 3 конференциях "Безопасность трубопроводов", Москва, 1997 г., 1999 г.; на "4-th International conference on railway bogies and running gears", Бу-
данешт, 1998г. и др. Программный комплекс "Сварка" передан для использования в ряд организаций: ПО Атоммаш, ПО НКМЗ, НПО ЦНИ-ИТМАШ, НПО им. Лавочкина, НИКИЭТ, ЦНИИМ, ВНИИВ, МИИТ, ДГТУ.МИФИидр.
Научные исследования по теме диссертационной работы проведены в рамках плана фундаментальных исследований Российского Научного Центра «Курчатовский институт», международной программы по оценке прочности корпусов реакторов «FALSIRE», проекта №774 Международного Научно-технического Центра, плана основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ МПС РФ, а также межвузовских программ "Сварочные процессы" на 1992-99г.г.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка использованных литературных источников. Изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 150 рисунков, 21 таблицу и 164 наименований литературных источников.